提高汽車(chē)現場(chǎng)總線(xiàn)能效的技術(shù)解決方案

對于傳統乘用車(chē)而言，油箱是唯一的實(shí)際能源來(lái)源，故制造商們尋求在包括電子系統在內的所有汽車(chē)系統中節能，以進(jìn)一步改善燃油經(jīng)濟性及二氧化碳（CO2）排放。隨著(zhù)汽車(chē)中增添的電子系統的數量不斷增多，以增強汽車(chē)性能及安全性，并為購買(mǎi)者提供有吸引力的新功能，汽車(chē)中每個(gè)電子控制單元（ECU）的節能效果較低的話(huà)，就會(huì )使總油耗大幅增加。

芯片設計人員采用不同技術(shù)及途徑，已經(jīng)能夠降低他們提供的器件的總能耗。在單個(gè)系統基礎芯片（SBC）中結合多個(gè)器件的功能，并應用不同電源管理策略，還能幫助進(jìn)一步降低總能耗。這些進(jìn)展表示當今的內燃發(fā)動(dòng)機汽車(chē)能夠舒適安全地搭載乘客，而使用的燃油更少，碳排放更低。

增強型系統基礎芯片

SBC為連接至汽車(chē)（CAN或LIN）總線(xiàn)的各種模塊（如車(chē)門(mén)模塊）提供電能、驅動(dòng)器及連接功能。通常情況下，它們可能集成穩壓器，為控制器及傳感器、高邊和/或低邊驅動(dòng)器、收發(fā)器接口及喚醒或看門(mén)狗引腳等其它系統連接功能供電。在單片器件中集成這些功能且結合內置電源管理，跟使用分立元件相比，在功率、成本及尺寸方面具備優(yōu)勢。當今的SBC使用現有技術(shù)及電源管理，能提供約20μA的休眠電流及約60μA的待機電流。


CAN在車(chē)身控制上的應用

在一款典型SPC中，片上穩壓器通常是低壓降（LDO）線(xiàn)性穩壓器，如圖1所示?；谶@個(gè)原因，設計人員面臨的主要挑戰就在于散熱管理，因為L(cháng)DO功率耗散相對較高。對于5 V時(shí)150 mA的穩流供電電流而言，SBC應當能夠耗散高達1.3 W的總功率。如果SBC的LDO包含內置旁路元件，此功率就在SBC封裝內部耗散。用于需要更大電流（通常高于250 mA）的模塊的SBC，通常設計為與外部旁路元件一起使用。這就有效分散SBC與外部MOSFET之間的功率耗散，從而能夠擴展實(shí)用的環(huán)境溫度范圍。


圖1

提升電源電路的能效，如在某些或全部LDO處使用開(kāi)關(guān)模式的DC-DC轉換器，能夠大幅降低汽車(chē)中每個(gè)CAN節點(diǎn)SBC的功率損耗額。這能幫助簡(jiǎn)化散熱管理，還能提升燃油經(jīng)濟性。

在仔細選擇轉換器架構的情況下，采用開(kāi)關(guān)模式DC-DC轉換的SBC能為使用自動(dòng)停止-啟動(dòng)（或微混合）技術(shù)的較新型車(chē)提供重要優(yōu)勢。自動(dòng)停止-啟動(dòng)技術(shù)在汽車(chē)停下來(lái)（如等候交通信號燈）時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機，能夠降低市區行駛的燃油消耗約15%至20%；當駕駛員踩下加速踏板（油門(mén)）時(shí)，發(fā)動(dòng)機自動(dòng)重啟，使系統有效地工作，而且這個(gè)過(guò)程對駕駛人員而言是透明的。為了確保CAN總線(xiàn)上的所有系統都能夠持續恰當地發(fā)揮功用，應用必須保持全面工作，即使是在發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)期間電池電壓降至2.5 V那么低時(shí)，也是如此。在這種情況下，升壓-降壓DC-DC拓撲結構使SBC能夠在所有工作條件下提供所要求的穩壓輸出電壓。


圖2：采用DC-DC轉換器的SBC

局部網(wǎng)絡(luò )

當今的汽車(chē)可能包含大量ECU，高端車(chē)型中的ECU數量可能多達100個(gè)左右。大多數ECU（如果不是全部的話(huà)）連接至CAN總線(xiàn)，因此，CAN總線(xiàn)始終是啟用的。即使發(fā)動(dòng)機熄火時(shí)，某些ECU必須保持工作，以維持遙控開(kāi)鎖（RKE）等功能的運作。這么多數量的ECU連接至總線(xiàn)，對總體電能消耗有重要影響。

局部網(wǎng)絡(luò )（Partial Networking，PN）是一種用于降低能耗同時(shí)使ECU能夠對喚醒指令作出響應的技術(shù)。系統僅在某些特定時(shí)刻根據需要啟用部分網(wǎng)絡(luò )，而其它節點(diǎn)保持在低功率狀態(tài)。有幾種可能的局部網(wǎng)絡(luò )應用方案。針對公路用車(chē)頒布的CAN標準ISO 11898-6定義了選擇性喚醒功能，作為以高速媒體存取提供局部網(wǎng)絡(luò )的方式。當某個(gè)ECU不要求工作時(shí)，它可能斷開(kāi)與CAN網(wǎng)絡(luò )的連接，只要沒(méi)有特定指令傳送給這個(gè)特別節點(diǎn)。

為了配合局部網(wǎng)絡(luò )功能，各個(gè)節點(diǎn)要求專(zhuān)用收發(fā)器中內置“選擇性喚醒功能”。這種選擇性喚醒功能使不工作的ECU的電流消耗能降低至汽車(chē)制造商通常規定的100μA平均待機電流極限范圍內。即使有這樣的省電效果，但連接至總線(xiàn)ECU數量眾多，以致于對總線(xiàn)的總能耗進(jìn)而對汽車(chē)的燃油消耗有較大影響。這種途徑的另一項缺點(diǎn)就是跟每顆IC中必須包含的額外選擇性喚醒電路相關(guān)的系統成本增加了。此外，網(wǎng)絡(luò )內所有節點(diǎn)都需要軟件適配，以配合應用局部網(wǎng)絡(luò )。這就增加了較大的系統開(kāi)發(fā)負荷。

引入CAN中繼器

通過(guò)將邏輯總線(xiàn)分割為兩個(gè)物理部分，使其中某個(gè)完整部分在不用時(shí)斷電，能夠獲得可貴的省電效果，如圖2所示。這可以通過(guò)在連接至CAN總線(xiàn)的某個(gè)模塊上引入雙向中繼器來(lái)實(shí)現。


圖3.增加一個(gè)具有CAN中繼器的模塊使總線(xiàn)能夠分割為兩個(gè)部分

常規模塊包含一個(gè)連接至總線(xiàn)的CAN收發(fā)器，此收發(fā)器將物理CAN信號轉換為由微處理器模塊處理的數字信號。通常情況下，連接至總線(xiàn)的所有模塊都是這種類(lèi)型。增加一個(gè)帶內置CAN中繼器的模塊會(huì )創(chuàng )建一個(gè)點(diǎn)，總線(xiàn)在此點(diǎn)能從物理上分為兩個(gè)部分。

如圖4所示，CAN中繼器以與獨立式CAN收發(fā)器類(lèi)似的方式連接微控制器。在此器件內部，端口A(yíng)上的每個(gè)信號傳輸至端口B，而端口B上的每個(gè)信號傳輸至端口A(yíng).CAN總線(xiàn)信號在微控制器中被解釋?zhuān)╥nterpreted）。CAN總線(xiàn)數據的重復在中繼器芯片內部完成。當接收到進(jìn)入休眠（Go-to- Sleep）指令時(shí)，端口之間的連接被斷開(kāi)，有效地斷開(kāi)端口B上網(wǎng)絡(luò )部分的連接。斷開(kāi)連接部分上的所有節點(diǎn)都可以進(jìn)入極低能耗的休眠模式。


圖4. CAN中繼器模塊的內部架構。

這種方法簡(jiǎn)單且性?xún)r(jià)比高，因為所有節點(diǎn)中除了一個(gè)節點(diǎn)外都可以使用標準ISO11898-2或ISO11898-5收發(fā)器來(lái)應用，而且無(wú)須軟件適配。僅要求使用一個(gè)中繼器。當使用這種技術(shù)時(shí)，重要的是計算顧及到線(xiàn)纜長(cháng)度、傳輸速度及由中繼器導致的額外延遲等因素的總體時(shí)序。

采用這種方式來(lái)分割總線(xiàn)也增強了汽車(chē)的故障容限（如線(xiàn)纜對地或電池短路）能力。如果有要求，還可以通過(guò)插入額外的總線(xiàn)中繼器，來(lái)進(jìn)一步限制這些所謂的“硬”總線(xiàn)故障。還可以防止帶有像增加電磁輻射及散熱問(wèn)題等后果的“軟”錯誤影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò )。

結論

當今的汽車(chē)制造商越來(lái)越注重將汽車(chē)中每個(gè)系統的能效提升至最高，以滿(mǎn)足更嚴格的排放及燃油經(jīng)濟性目標。為了符合汽車(chē)購買(mǎi)者乃至地球的需求，如今，前所未有地更加重要的是，充分利用新的IC進(jìn)展來(lái)更高效率地在從熄火到所有系統工作等各個(gè)使用模式管理電氣能耗。